PL390976A1 - Wiatrowa siłownia energetyczna dużej mocy - Google Patents

Abstract

Turbina wiatrowa siłowni ma wirnik (W) łożyskowany na pionowej osi obrotu, wyposażony w co najmniej dwie, zasadniczo pionowo ukierunkowane łopaty, symetrycznie rozmieszczone na obwodzie trajektorii ruchu oraz sztywno połączone w strefie ich środków ciężkości z poziomą ramą wirnika (3). Każda z łopat ma skrzydło górne (5a) i dolne (5b) promieniowo i pod kątem (α) odchylone na zewnątrz od osi obrotu wirnika (W). Rama wirnika (3) łożyskowana jest na poziomym pierścieniu oporowym (2) przy pomocy wózków kołowych promieniowo-poosiowych. Pierścień oporowy (2) o wymiarze średnicy zewnętrznej (Dp) w zakresie od 0,1 do 0,9 średnicy zamocowania (Dł) łopat podparty jest na konstrukcji wsporczej złożonej z co najmniej trzech słupów (1) o wysokości (H), większej od długości (l2) skrzydła dolnego (5b) łopaty.

Description

4 390976 3 1

Wiatrowa siłownia energetyczna dużej mocy

Przedmiotem wynalazku jest wiatrowa siłownia energetyczna dużej mocy, posiadająca turbinę wiatrową i napędzany nim generator elektryczny.

Energia wiatru najczęściej wykorzystywana jest w zgrupowaniach siłowni energetycznych z turbinami wiatrowymi o poziomej osi obrotu wirników śmigłowych. Moc tych siłowni ograniczona jest do kilku MWe, co wynika z bardzo dużych wymiarów i ciężaru łopat śmigła oraz generatora wraz z multiplikatorem, zabudowanych w obrotowej głowicy wieżowej konstrukcji wsporczej. Analiza aerodynamiczna dużych turbin wiatrowych o poziomej osi obrotów wirnika śmigłowego wykazuje sprawność przetwarzania energii wiatru na energię mechaniczną na poziomie poniżej 20%. Głównym powodem tak niskiej sprawności są znaczne wymiary wirnika. Przykładowo, znana siłownia wiatrowa „The Britannia” ma śmigło o średnicy 150 m, zakreślające przy obrocie okrąg o powierzchni 17662 m2. Strumień powietrza przepływający przez taki wirnik składa się z około 20 charakterystycznych stref o powierzchniach przekroju poprzecznego rzędu 800 do 1000 m2. Strumienie powietrza w tych strefach różnią się kierunkiem, prędkością, również temperaturą i gęstością powietrza. Podczas ruchu obrotowego poszczególne łopaty wirnika śmigłowego rozpatrywane jako całość oraz w zakresach różnych odcinków promieniowych przemieszczają się w środowiskach o innych parametrach - co istotnie rzutuje na wielkości sił parcia wiatru. Zróżnicowanie to jest szczególnie widoczne przy prędkościach wiatru mniejszych od 10 m/sek. 2 %·

Znane jest z opisu międzynarodowego zgłoszenia wynalazku W02009099344 rozwiązanie turbiny wiatrowej z wirnikiem o pionowej osi obrotu łożyskowanym na jednosłupowej konstrukcji wsporczej. Wirnik wyposażany jest w co najmniej dwie, zasadniczo pionowo ukierunkowane łopaty, symetrycznie rozmieszczone na obwodzie trajektorii ruchu. Łopaty połączone są w strefie ich środków ciężkości z wspornikami poziomej ramy wirnika. Każda z łopat ma skrzydło górne i dolne, promieniowo i pod katem odchylone na zewnątrz od osi obrotu wirnika. Przekroje poprzeczne skrzydeł mają symetryczny lub wklęsło-wypukły profil aerodynamiczny o malejących w kierunku obu końców długościach cięciw i grubościach profilu. Wzdłużne profilowanie skrzydeł spełnia warunek by długości cięciw profilu na obu końcach skrzydeł i w strefie środkowej były odwrotnie proporcjonalne do promieni ich położenia względem osi obrotu wirnika. Rozwiązanie zapewnia równomierny pobór energii wiatru na długości skrzydeł, poprawia wyważenie i zmniejsza naprężenia ściskające w zewnętrznych warstwach.

Znane są również wiatrowe siłownie energetyczne dużej mocy, w których turbina wiatrowa o pionowej osi obrotów napędza generator pierścieniowy ze stojanem i wirnikiem ukształtowanych w postaci pierścieni o dużej średnicy. Przykładowo, rozwiązanie wiatrowej siłowni energetycznej przedstawione w opisie patentowym US4168439 ma turbinę wiatrową, której rama wirnika o kształcie pierścienia podparta jest na rolkach łożyskowych. Pierścień ramy wirnika jednocześnie stanowi wirnik generatora, który z zewnątrz objęty jest przez pierścień stojana. Na górnej powierzchni pierścienia ramy wirnika zamocowane są jednoskrzydłowe łopaty, promieniowo i pod katem odchylone na zewnątrz od osi obrotu wirnika. Przekroje poprzeczne łopat mają symetryczny profil aerodynamiczny o malejących w kierunku końca długościach cięciw i grubościach profilu. Przy dużych wymiarach, występuje niekorzystne sumowanie się oddziaływań: ciężaru jednostronnych, nachylonych łopat, sił odśrodkowych i sił aerodynamicznych - obciążeń, które odbierane są przez pierścieniową ramę wirnika. Podczas ruchu w kierunku pod wiatr siły aerodynamiczne i bezwładności mają jednakowy zwrot, natomiast podczas ruchu z wiatrem mają zwrot przeciwny. W wyniku wytwarzane jest niesymetryczne obciążenie pulsujące pierścieniowej ramy wirnika w płaszczyźnie poziomej jak i pionowej, deformujące wirnik z niekorzystnym skutkiem w sprawności połączenia obrotowego i skuteczności indukcji elektrycznej generatora. 3

Siłownia energetyczna według niniejszego wynalazku ma podobnie jak w znanych rozwiązaniach turbinę wiatrową z wirnikiem o pionowej osi obrotu, łożyskowanym na konstrukcji wsporczej i wyposażonym w co najmniej dwie łopaty, symetrycznie rozmieszczone na obwodzie trajektorii ruchu. Łopaty są sztywno połączone w strefie ich środków ciężkości z poziomą ramą wirnika a każda z łopat ma skrzydło górne i dolne promieniowo i pod katem odchylone na zewnątrz od osi obrotu wirnika. Istota wynalazku polega na tym, że rama wirnika łożyskowana jest na poziomym pierścieniu oporowym przy pomocy wózków kołowych promieniowo-poosiowych. Pierścień oporowy, o wymiarze średnicy zewnętrznej w zakresie od 0,1 do 0,9 średnicy zamocowania łopat do ramy, podparty jest na konstrukcji wsporczej złożonej z co najmniej trzech słupów wieżowych o wysokości większej od długości skrzydła dolnego łopaty.

Konstrukcja siłowni według takiego rozwiązania zasadniczo nie ma ograniczeń w zakresie wytwarzanej mocy elektrycznej. Dla prędkości wiatru w zakresie od 4 do 30 m/s osiąga sprawność przetwarzania energii wiatru w energię elektryczna powyżej 60%. Praca turbiny wiatrowej jest stabilna, w poziomej ramie wirnika występują prawie wyłącznie naprężenia rozciągające a wyższa częstość drgań własnych łopat uodparnia wirnik na porywy wiatru.

Korzystnym jest rozwiązanie, w którym turbina ma łopaty połączone są z ramą wirnika na co najmniej dwóch średnicach zamocowania, a pierścień oporowy ma średnicę zewnętrzną mniejszą od najmniejszej z średnic zamocowania łopat do ramy.

Korzystnym jest również, gdy generator elektryczny stanowią: zamocowany na pierścieniu centrującym stojan liniowy lub wielobiegunowy oraz wirnik generatora połączony z ramą wirnika.

Przekazanie mocy mechanicznej turbiny wiatrowej może być również korzystnie dokonane w rozwiązaniu siłowni z generatorem elektrycznym posadowionym na podłożu i napędzanym przez przegubowy wał pionowy, górnym końcem zamocowany przez przegub do ramy wirnika w osi obrotu.

Wynalazek przybliżony jest opisem dwóch przykładowych rozwiązań wiatrowych siłowni pokazanych w ujęciu schematycznym na rysunkach. Figury 1 i 2 rysunku przedstawiają pierwszą siłownię w widok z boku i z góry, Fig.3 i 4 siłownię według drugiego wykonania wynalazku w analogicznych rzutach a fig.5 przekrój poprzeczny według linii Χ-Χ z Fig.2. 4

Siłownia z fig.1 i 2 posiada turbinę wiatrową i napędzany nim generator elektryczny G. Wirnik W turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu ma poziomą ramę 3, utworzoną z pięciu pylonów promieniowo rozstawionych według kąta środkowego 72°. Pylony są sztywno połączone ze sobą końcami w osi obrotu wirnika. Na drugich, zewnętrznych końcach pylonów zamocowane są łopaty 5. Długość pylonu ramy wirnika 3 wyznacza średnicę zamocowania D< łopat 5. Każda z pięciu łopat 5 ma skrzydło górne 5a i dolne 5b promieniowo i pod katem a odchylone na zewnątrz od osi obrotu wirnika. Rama wirnika 3 łożyskowana jest na poziomym pierścieniu oporowym 2 przy pomocy wózków kołowych 4 promieniowo-poosiowych, co przedstawia Fig.5 rysunku. Pierścień oporowy 2 ma średnicę zewnętrzną Dp równą 0,7 średnicy zamocowania D» łopat 5 i jest podparty na konstrukcji wsporczej złożonej z trzech słupów wieżowych 1, rozstawionych co 120°, o wysokości H większej od długości l2 skrzydła dolnego 5b łopaty 5. Generator elektryczny G jest prądnicą bezwałową, którą stanowią: zamocowany na pierścieniu centrującym 2 wielobiegunowy stojan 6 oraz połączony z ramą wirnika 3 wirnik generatora 7.

Na Fig.3 i 4 pokazana jest siłownia, której turbina wiatrowa ma wirnik W z ośmioma łopatami 5 połączonymi z ramą wirnika 3 na dwóch średnicach zamocowania D»i i D^, po cztery na każdej średnicy. Rama 3 utworzona jest przez sztywne połączenie w jednej, poziomej płaszczyźnie: czterech promieniowo-prostopadłych pylonów o kształcie równoramiennego krzyża oraz nałożenie na niego kwadratu z prostopadłych do pylonów belek. Łopaty 5 zamocowane są na czterech końcach pylonów krzyża i w czterech narożach kwadratu. Pierścień oporowy 2 ma średnicę zewnętrzną Dp mniejszą od mniejszej średnicy zamocowania Dt1 łopat 5, korzystnie równą długości boku kwadratu. Podparty jest na czterech słupach wieżowych 1. W tym wykonaniu siłownia ma wirnikowy generator elektryczny G, który posadowiony jest na podłożu i napędzany od turbiny wiatrowej przez pionowy wał 8 Cardana, sprzęgło i przekładnię multiplikatora.

6 6 G. DP D, Dn Dł2 a H I2

Wykaz oznaczeń na rysunkach wirnik turbiny wiatrowej 1. słup wieżowy 2. pierścień oporowy 3. rama wirnika 4. wózek kołowy 5. łopata 5a. skrzydło górne 5b. skrzydło dolne generator elektryczny 6. stojan 7. wirnik generatora 8. wał średnica zewnętrzna pierścienia centrującego średnica zamocowania łopat mniejsza średnica zamocowania łopat większa średnica zamocowania łopat kat pochylenia skrzydła wysokość słupa długość dolnego skrzydła

Claims (4)

1. 5 330976 ‘i Zastrzeżenia patentowe 1. Wiatrowa siłownia energetyczna dużej mocy, posiadająca turbinę wiatrową i napędzany przez nią generator elektryczny (G), oraz w której turbina wiatrowa ma wirnik (W) łożyskowany według pionowej osi obrotu na konstrukcji wsporczej, wyposażony w co najmniej dwie, zasadniczo pionowo ukierunkowane łopaty (5), symetrycznie rozmieszczone na obwodzie trajektorii ruchu oraz sztywno połączone w strefie ich środków ciężkości z poziomą ramą wirnika (3), przy czym każda z łopat (5) ma skrzydło górne (5a) i dolne (5b) promieniowo i pod katem (a) odchylone na zewnątrz od osi obrotu wirnika (W), znamienna tym, że rama wirnika (3) łożyskowana jest na poziomym pierścieniu oporowym (2) przy pomocy wózków kołowych (4) promieniowo-poosiowych, przy czym pierścień oporowy (2) o wymiarze średnicy zewnętrznej (Dp) w zakresie od 0,1 do 0,9 średnicy zamocowania (DO łopat (5) podparty jest na konstrukcji wsporczej złożonej z co najmniej trzech słupów wieżowych (1), o wysokości (H) większej od długości (l2) skrzydła dolnego (5b) łopaty (5).
2. 2. Siłownia według zastrz.1 znamienna tym, że łopaty (5) połączone są z ramą wirnika (3) na co najmniej dwóch średnicach zamocowania (Dh, Dł2) a pierścień oporowy (2) ma średnicę zewnętrzną (Dp) mniejszą od najmniejszej z średnic zamocowania (Du).
3. 3. Siłownia według zastrz.1 albo 2 znamienna tym, że generator elektryczny (G) stanowią: stojan (6) liniowy lub wielobiegunowy, zamocowany na pierścieniu centrującym (2) oraz wirnik generatora (7) połączony z ramą wirnika (3).
4. 4. Siłownia według zastrz.1 albo 2 znamienna tym, że generator elektryczny (G) posadowiony jest na podłożu i napędzany przez przegubowy wał pionowy (8), górnym końcem zamocowany do ramy wirnika (3) w osi obrotu.